5-羟甲基糠醛的分离纯化研究进展

方 鑫，李 愈，刘迎新

（浙江工业大学 药学院，浙江 杭州 310014）

随着现代社会的快速发展，人们对于能源的需求日益增加，传统的化石能源在满足人们的日常需求时也会对环境造成破坏。在过去的几十年中，人们付出了巨大努力寻找对环境友好的新能源来代替化石能源。生物质能因可再生、清洁、低碳、来源广泛等特点而备受瞩目。由生物质可以转化得到众多高附加值平台化合物，其中5-羟甲基糠醛（5-HMF）作为一种重要的生物质能平台分子受到广泛关注[1-2]。由于醛基、羟基和呋喃环共存，5-HMF 表现出非常强的反应活性。通过加氢、氧化、醚化、酯化和胺化等不同类型的化学反应，可将5-HMF 进一步转化为高附加值的衍生物，如2,5-呋喃二甲酸、2,5-呋喃二甲胺等，在化工、医药和高分子等诸多领域有着重要应用[3-5]。

长期以来，人们对于5-HMF 的研究兴趣浓厚，其中大部分的工作主要集中在开发新型催化降解体系[6]。与提高碳水化合物降解制备5-HMF的收率相比，如何实现5-HMF 从反应体系中有效分离至今是一项具有挑战性的工作。实现5-HMF 的分离纯化是后续实现5-HMF 规模化生产及下游衍生物开发的必要条件。本文概述了萃取法、蒸馏法、吸附法和结晶法等5-HMF 分离纯化方法的研究进展，并讨论了这些方法的优缺点。

1 萃取法

萃取法被广泛用于5-HMF 的分离纯化，其机理是基于5-HMF 在两种不互溶溶剂中的溶解度差异。根据操作方式不同，萃取法主要分为传统萃取法和原位萃取法。由于在常压下操作，无需特殊溶剂，反应装置简单，目前该方法在工业上应用较为广泛。

1.1 传统萃取法

在水相、有机相或离子液体中完成碳水化合物降解反应后，采用萃取法可从复杂的混合体系中有效分离出5-HMF。选择合适且高效的萃取剂至关重要，所选取的溶剂既要保证5-HMF 在体系中的分配系数高，也要保证溶剂沸点低，尽可能减少蒸发溶剂所带来的问题。

Blumenthal 等[7]通过热力学模型COSMO-RS从包含8000 种溶剂的数据库中筛选出900 种溶剂。研究发现，在短链烷基化的酚如邻丙基苯酚、邻异丙基苯酚与水组成的体系中显示出最强的5-HMF 提取能力。

DMSO 由于出色的溶解碳水化合物的能力和对副产物形成的抑制作用，被广泛用作制备5-HMF 的反应溶剂[8]。然而，从DMSO 体系中分离5-HMF 仍具有挑战性，这主要归因于5-HMF 与DMSO 分子内较强的氢键以及它们的高沸点。Wang 等[9]基于DMSO 在水和乙醚中的不同溶解度，设计了一种有效的5-HMF 分离工艺。当反应在THF 与DMSO 体系中完成后，通过添加饱和氯化钠溶液促使体系分相，THF、5-HMF 转移至上层有机相中，DMSO 则保留在下层水相中。研究发现，体系中添加乙醚可促进水相中5-HMF 快速转移至有机相中。最后，通过较低的温度蒸馏即可从THF、乙醚中得到5-HMF。

离子液体在碳水化合物降解制备5-HMF 方面表现出优异的性能。然而，Wang 等[10]发现1-丁基-3-甲基咪唑鎓盐离子液体中的阴离子与5-HMF 易形成较强的氢键不利于产物的萃取分离。Zhou 等[11]采用添加低级醇与离子液体的阴离子形成竞争来避免离子液体与5-HMF 形成氢键。以甲醇或乙醇作为促进剂，采用甲基异丁基酮作为萃取剂将5-HMF 从离子液体中分离出来。结果表明，添加乙醇组比未添加乙醇组的5-HMF萃取率提高了十倍左右。

通过以上的研究发现，传统萃取法一定程度上可实现5-HMF 与反应体系的分离，但一些溶解性能良好的杂质（如胡敏素）也可在萃取剂中分配，难以获得较高纯度的5-HMF。

1.2 原位萃取法

与传统提取法相比，原位萃取方法通常与双相系统结合使用。通过不断将反应形成的5-HMF及时萃取分离，避免了5-HMF 进一步发生水解或聚合反应，显著提高5-HMF 的选择性及收率。

2008 年，Román 等[12]创新性地在2-丁醇或二氯甲烷改性的MIBK/H2O 两相体系中加入适量DMSO 及PVP 用于果糖降解制备5-HMF。与常规MIBK/H2O 体系相比，5-HMF 的选择性从73%提高到85%，收率从54.8%提高到75.7%。近期该工作组[13]还发现两相体系中添加无机盐可提高5-HMF 在有机相中的分配系数，从而避免5-HMF在水相中发生降解。

基于上述改性两相体系的启发，一系列两相体系不断地被开发用于碳水化合物降解反应，并取得了良好的效果，但改性剂的添加也导致反应体系变得更为复杂，体系的回收利用更为困难。因此，简化两相体系并进一步提高5-HMF 的原位萃取效率仍有待研究。Yan 等[14]设计了循环水相、循环有机相和萃取装置反应系统，通过实时循环反应相与萃取相，最大程度地提高反应的选择性与5-HMF 收率。从5 wt%的果糖溶液中萃取5-HMF，收率为94%，纯度可达98%。

Sayed 等[15]在连续管道式反应器中进行酸催化果糖脱水反应。10 wt%的果糖以2 mL/min 的流速在反应器中停留1 min，5-HMF 收率达89.1%。较低沸点（90°C）的碳酸二甲酯可通过温和的方式将其与产物分离，5-HMF 纯度可达93%。

2 蒸馏法

由于5-HMF 的热不稳定性及其沸点较高[16-17]，直接采取蒸馏方法提取5-HMF 效益较差。近几年的研究表明，采用一些辅助步骤或添加一些特殊的助剂，间接蒸馏提取5-HMF 也是可行的方法。

Wei 等[18]在[OMIM]Cl 离子液体的真空蒸馏装置中添加夹带剂（如己烷或氮气），从而促进果糖脱水反应及产物5-HMF 的蒸发。通过该反应工艺，果糖脱水制备5-HMF 的收率最高可达93.5%，其纯度可达92.9%～95.1%。然而离子液体的高成本及苛刻的高真空度限制了其工业应用。

Gomes 等[19]在果糖双相体系中添加1 wt%Na2S2O4作为5-HMF 的稳定剂，于170 °C 下反应2 h，反应后使用THF 反复萃取水相中的5-HMF。将收集的有机相经干燥后于真空条件下蒸发除去溶剂，获得了收率和纯度分别为98%和92%的略带黄色的粗制5-HMF。而未添加Na2S2O4的体系中5-HMF 收率和纯度仅为67%和83%。进一步将粗制的5-HMF 与2 wt% Na2S2O4混合，在真空条件下于120 °C 蒸馏出5-HMF 产物。当蒸馏过程完成时，获得了几乎无色的5-HMF，收率为85%，纯度进一步提高到99%。而未添加2 wt%Na2S2O4进行蒸馏处理，5-HMF 的收率仅为52%。

相较于萃取法和吸附法，蒸馏法分离5-HMF需要更高的能耗，且在分离过程中5-HMF 易发生副反应，导致5-HMF 的回收率降低。因此，如何在不降低5-HMF 回收率的情况下节省能源是需要进一步研究的问题。

3 吸附法

对于热稳定性差的物质，吸附法被认为是安全有效的分离手段。通过多孔固体物质与混合体系充分接触，有选择地将所需物质附着于固体表面，通过一定时间的处理使其扩散至空隙中间，从而达到饱和状态。因此，选择比表面积与材质特性良好的吸附剂，是从复杂的果糖脱水反应液成分中高选择性分离5-HMF 的关键。1992 年，Vinke 等[20]首次报道了活性炭材料实现5-HMF 与反应体系的分离，这为后来人们利用吸附法分离5-HMF 提供了重要的启示。近几年，一些具有高比表面积、高选择性等优良特性的疏水性吸附剂得到广泛研究。

Zhang 等[21]以纳米二氧化硅为硬模板，将1,3,5-苯乙炔和1,4-二碘苯通过Sonogashira 偶联反应包覆在纳米二氧化硅表面，再通过氢氟酸刻蚀得到一种中孔结构（464±15 nm）的多孔芳族聚合物（H-PAP）吸附剂，其材料良好的结构与理化性质对5-HMF 的吸附分离表现出优异的效果。实验中，较大内腔直径的H-PAP 对5-HMF 表现出较高的选择性吸附能力（吸附量：0.62±0.11 mg/mg）。当采用乙醇解吸8 h 后，尚未检测出果糖、甲酸及乙酰丙酸等物质。由于反应过程中生成了聚合物胡敏素，导致5-HMF 最终纯度为94.4%。

尽管吸附法分离碳水化合物降解体系中的5-HMF 往往可取得较好的结果，但由于吸附剂制备繁冗、吸附剂易被堵塞、吸附解吸时间长且消耗大量溶剂等导致该方法的实际应用具有一定的局限性。

4 结晶法

利用混合物的各组分在同一溶剂中溶解度差异可达到分离提纯的目的，然而5-HMF 的熔点较低（31.5 ℃），直接采用降温结晶方式需要输入大量能量。针对上述问题，陆贻超等[22]在低温下利用5-HMF 与亚硫酸氢钠反应生成5-羟甲基呋喃-2-(α-羟基甲基磺酸)盐沉淀，其在稀碱的作用下可重新形成5-HMF，经溶剂提取分离后可得到纯度为99.9 wt%以上的5-HMF。

5 总结

5-HMF 广泛应用于化工、医药和高分子等诸多领域。本文概述了萃取法、蒸馏法、吸附法和结晶法等5-HMF 分离纯化方法的研究进展。

（1）蒸馏法通常可得到纯度较高的5-HMF，但对热不稳定的5-HMF 往往会产生进一步降解，从而导致其收率降低。

（2）吸附法对于吸附剂的选用要求较高，不仅要有良好的吸附性能，还要有稳定的重复使用性。目前吸附法存在吸附周期长、吸附剂易被堵塞等缺点，限制了其在工业上的应用。此外，在解吸过程中需要耗费大量溶剂，其工艺耗时耗能。

（3）结晶法通常需将5-HMF 转化为中间体，从而与反应体系达到分离的目的，但仍采用较低的温度来促进结晶。

（4）传统萃取法难以实现5-HMF 与易溶性胡敏素的分离，而原位萃取法通过降低底物浓度来提高5-HMF 的选择性，从而提高了萃取剂中5-HMF 的纯度，但较低的底物浓度不利于5-HMF 的规模化生产。

适当提高底物浓度对于原位萃取法分离5-HMF 具有一定的研究意义。与其他方法相比，原位萃取法操作简单、原子利用率高、工艺成本较低，符合绿色化学发展原则。